CN111474145A - 单像素荧光和相位成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单像素荧光和相位成像系统及方法，其中，方法包括：空间滤波器，用于生成准直高斯光束；二值复振幅调制系统，用于得到二维复振幅照明图案；成像系统，用于透射或者反射得到经过调制后的场；荧光和相位分离系统，用于使每一臂只对应保留相应的信息；单像素采集系统，用于得到对应复振幅照明下的单像素的复振幅和荧光测量值；处理器，用于得到单像素对应于该强度图案的复振幅测量值，且分别重建出原样本的复振幅分布和荧光强度分布。该系统可以实现无需对齐的、高灵敏度、极弱光探测的同时荧光和相位成像，且由于在极弱光照和宽光谱范围内单像素成像，使得极弱光下的荧光和相位成像和太赫兹乃至X射线的荧光和相位成像成为可能。

Description

单像素荧光和相位成像系统及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种单像素荧光和相位成像系统及方法。

背景技术

相关技术，单像素成像方法是利用已知的结构光照对样本进行编码采集，并用多次采集的总强度信息和对应的照明图案进行计算重建得到样本的二维强度分布的成像方法。该方法与传统的面阵传感器的探测的显著差异在于其利用单像素的探测代替了面阵传感器的探测，并且以结构光照携带相应的空间位置信息，通过多次变化的结构光照和对应的单像素的测量值，利用计算的方法进行数字重建。

由于单像素探测器具有低成本、高灵敏度、高带宽和宽光谱探测范围的特性，可以自然地通过增加单像素探测器进行多个成像模式的采集。例如四个不同位置的探测器重建得到不同光照角度的样本信息从而重建出样本的表面三维信息，同时的可见光和红外成像和多个波长照明的彩色和多光谱的成像等。这些成像方法利用每个单像素探测器产生一种成像模式，实现多模式的成像采集，或者进一步地将其作为中间结果拓展光携带信息的维度。

然而，单像素成像方法还未应用于同时的荧光和相位这一在生物医学诊断和神经科学观测具有巨大需求的多模式成像中。最关键的限制因素在于目前的单像素相位成像方法大都采用双光束干涉的方法，并且需要通过机械或者特定的调制器件引入相移，而这种实现方式本身具有相位的不稳定性，给需要多次测量的单像素成像带来巨大的挑战。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种单像素荧光和相位成像系统，该系统可以实现无需对齐的、高灵敏度、极弱光探测的同时荧光和相位成像，且由于在极弱光照和宽光谱范围内单像素成像，使得极弱光下的荧光和相位成像和太赫兹乃至X射线的荧光和相位成像成为可能。

本发明的另一个目的在于提出一种单像素荧光和相位成像方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种单像素荧光和相位成像系统，包括：空间滤波器，用于生成准直高斯光束；二值复振幅调制系统，用于对所述准直高斯光束进行二值强度调制，得到二维复振幅照明图案；成像系统，用于将所述二维复振幅照明图案成像至样本平面，使照明视场和分辨率适应于待观测样本，且与样本作用，透射或者反射得到经过调制后的场；荧光和相位分离系统，用于将待测量的相位臂与荧光臂进行分离，使每一臂只对应保留相应的信息；单像素采集系统，用于分别对所述相位臂与所述荧光臂进行傅里叶面单点强度的采集和荧光总强度的采集，得到对应复振幅照明下的单像素的复振幅和荧光测量值；处理器，用于对同轴全息的三步相移的傅里叶面单点强度的测量值进行计算，得到单像素对应于该强度图案的复振幅测量值，并且利用荧光总强度的测量值得到对应于该强度图案的荧光测量值，及利用空间光调制器的多次调制图案和对应的测量值进行计算重建，利用压缩感知的方法分别重建出原样本的复振幅分布和荧光强度分布。

本发明实施例的单像素荧光和相位成像系统，可以弥补单像素成像技术在这一领域的空缺，将基于主动的空间光调制和同轴全息以及同时的荧光探测引入单像素成像，实现无需对齐的、高灵敏度、极弱光探测的同时的荧光和相位成像，并且由于单像素成像在极弱光照和宽光谱范围内的优势，极弱光下的荧光和相位成像和太赫兹乃至X射线的荧光和相位成像也因此成为可能。

另外，根据本发明上述实施例的单像素荧光和相位成像系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述空间滤波器包括：准直透镜和针孔，所述针孔位于物镜焦面处，以生成所述准直高斯光束；光学调整架，用于固定物镜和所述准直透镜，并调整器件角度使出射光束平直；平移台，用于固定所述针孔，并且调整所述针孔与所述物镜之间的间距至目标间距。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：空间调制器，用于将所述空间滤波器出射的准直高斯光束进行空间调制，得到空间编码的结构光照。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述成像系统具体用于利用Lee全息方法将数字微镜器件的二值调制转化为复振幅调制。

另外，在本发明的一个实施例中，所述荧光和相位分离系统具体用于利用荧光的发射频谱与激发频谱之间的Stokes平移现象，并用二向色镜将荧光从原光路中分离，得到分离后的荧光和相位信息。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种单像素荧光和相位成像系统，采用上述的系统，其中，方法包括：生成准直高斯光束；对所述准直高斯光束进行二值强度调制，得到二维复振幅照明图案；将所述二维复振幅照明图案成像至样本平面，使照明视场和分辨率适应于待观测样本，且与样本作用，透射或者反射得到经过调制后的场；将待测量的相位臂与荧光臂进行分离，使每一臂只对应保留相应的信息；分别对所述相位臂与所述荧光臂进行傅里叶面单点强度的采集和荧光总强度的采集，得到对应复振幅照明下的单像素的复振幅和荧光测量值；对同轴全息的三步相移的傅里叶面单点强度的测量值进行计算，得到单像素对应于该强度图案的复振幅测量值，并且利用荧光总强度的测量值得到对应于该强度图案的荧光测量值，及利用空间光调制器的多次调制图案和对应的测量值进行计算重建，利用压缩感知的方法分别重建出原样本的复振幅分布和荧光强度分布。

本发明实施例的单像素荧光和相位成像方法，可以弥补单像素成像技术在这一领域的空缺，将基于主动的空间光调制和同轴全息以及同时的荧光探测引入单像素成像，实现无需对齐的、高灵敏度、极弱光探测的同时的荧光和相位成像，并且由于单像素成像在极弱光照和宽光谱范围内的优势，极弱光下的荧光和相位成像和太赫兹乃至X射线的荧光和相位成像也因此成为可能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的单像素荧光和相位成像系统的方框示意图；

图2为根据本发明一个具体实施例的单像素荧光和相位成像系统的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的Lee全息二值复振幅调制原理示意图；

图4为根据本发明一个实施例的单像素荧光和相位成像方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的单像素荧光和相位成像系统及方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的单像素荧光和相位成像系统。

图1为根据本发明实施例的单像素荧光和相位成像系统的方框示意图

如图1所示，该单像素荧光和相位成像系统10包括：

其中，空间滤波器100，用于生成准直高斯光束。即言，空间滤波器100用于产生干净的、空间分布均匀的准直高斯光束。

其中，在本发明的一个实施例中，空间滤波器100包括：准直透镜、针孔、光学调整架和平移台。

具体地，针孔位于物镜焦面处，以生成准直高斯光束。光学调整架用于固定物镜和准直透镜，并调整器件角度使出射光束平直。平移台用于固定针孔，并且调整针孔与物镜之间的间距至目标间距。

举例而言，搭建一个空间滤波器100。空间滤波器由物镜1、针孔、准直透镜和光学调整架、平移台构成。针孔位于物镜焦面处，滤除高阶次不均匀杂散光，产生干净、空间分布均匀的高斯光束，经过准直透镜，得到准直扩束的高斯光束。光学调整架用于固定物镜和准直透镜并调整器件角度使出射光束平直，平移台用于固定针孔，同时调整针孔与物镜之间的间距，保证在合适的三维坐标内得到空间均匀分布的高斯光束。调节的过程中，首先移去准直透镜，通过三轴平移台改变针孔和物镜的相对的距离，得到在视野中心的近似圆形的光斑，并且前后移动针孔，光斑周围出现明显的散斑，此时为针孔的最佳位置。再在距离针孔一倍焦距的位置放置准直透镜，使得出射光束在1至2米的距离内光斑的尺寸基本不变，并且光斑中心与不放置空间滤波器的光斑中心保持一致。

二值复振幅调制系统200，用于对所述准直高斯光束进行二值强度调制，得到二维复振幅照明图案。

可以理解的是，二值复振幅调制系统200用于对光束进行高速的二值强度调制，进而利用空间滤波保留相位信息的特性，得到所需要的二维复振幅照明图案。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的系统10还包括：空间调制器。其中，空间调制器用于将空间滤波器100出射的准直高斯光束进行空间调制，得到空间编码的结构光照。

具体地，如图1所示，空间调制，将空间滤波器100出射的准直光束经过空间光调制器(如数字微镜器件DMD)进行空间调制，得到空间编码的结构光照。需要说明的是，由于使用的数字微镜器件是通过每个微镜的倾角(对角线±12°)决定每个像素是0还是1的，因此需要通过调节反射镜1的倾角将光束以一定角度入射至数字微镜器件，保证在数字微镜器件显示全1的情况下出射光束平行于实验台。这个过程需要考虑数字微镜器件的衍射效应，保证衍射后光束的中心轴线与实验台平行。

成像系统300，用于将所述二维复振幅照明图案成像至样本平面，使照明视场和分辨率适应于待观测样本，且与样本作用，透射或者反射得到经过调制后的场。

可以理解的是，成像系统400用于将入射的复振幅照明图案成像至样本平面，使照明视场和分辨率适应于待观测样本，并且与样本作用，透射或者反射得到经过调制后的场。

进一步地，在本发明的一个实施例中，成像系统400具体用于利用Lee全息方法将数字微镜器件的二值调制转化为复振幅调制。

具体地，利用Lee全息方法将数字微镜器件的二值调制转化为复振幅调制，其原理图如图2所示。以典型的相位调制为例，数字微镜器件调制强度图案f(x,y)，并在余弦载频中携带待调制的相位分布

因此强度图案可以表示为：

可以进一步地表示为不同载频携带信息的形式：

表现为傅里叶平面上三个空间频率零级(ν_x，ν_y)＝(0,0)，+1级(ν_x,，ν_y)＝(ν₀,-ν₀)和-1级(ν_x，ν_y)＝(-ν₀，ν₀)对应的调制分量。如果仅保留+1级则在共轭面得到对应于

的相位调制结果。另外，复振幅的调制同理。

经过成像系统400至成像面，将二值复振幅调制得到的复振幅图案投影至成像面，并且与样本进行作用，一方面得到复振幅调制后与样本作用的场，另一方面得到空间调制后的样本的荧光强度的场。

荧光和相位分离系统400，用于将待测量的相位臂与荧光臂进行分离，使每一臂只对应保留相应的信息。

可以理解的是，荧光和相位分离系统400用于将待测量的相位臂与荧光臂进行分离，使每一臂只对应保留相应的信息，而不与其它臂发生混叠。

其中，在本发明的一个实施例中，荧光和相位分离系统具体用于利用荧光的发射频谱与激发频谱之间的Stokes平移现象，并用二向色镜将荧光从原光路中分离，得到分离后的荧光和相位信息。

具体地，荧光与相位分离，利用荧光的发射频谱与激发频谱之间的Stokes平移现象，用二向色镜将荧光从原光路中分离出来，得到分离的荧光和相位信息。分离之后光路分为两臂，其中仅保留相位的一臂为相位臂，仅保留荧光的一臂为荧光臂。

单像素采集系统500，用于分别对所述相位臂与所述荧光臂进行傅里叶面单点强度的采集和荧光总强度的采集，得到对应复振幅照明下的单像素的复振幅和荧光测量值。

可以理解的是，单像素采集系统500用于分别对相位臂与荧光臂进行傅里叶面单点强度的采集和荧光总强度的采集，得到对应复振幅照明下的单像素的复振幅和荧光测量值

具体地，单像素单点采集和荧光总强度采集。相位臂以傅里叶面单点的强度测量代替总强度测量，其目的在于保留相干光照明系统的照明图案和样本作用的相位信息。如图1所示，用单模光纤承接一个光纤耦合的单像素探测器，探测傅里叶平面中心点的强度值。荧光臂直接探测荧光作为非相干光的总强度信息。

处理器600，用于对同轴全息的三步相移的傅里叶面单点强度的测量值进行计算，得到单像素对应于该强度图案的复振幅测量值，并且利用荧光总强度的测量值得到对应于该强度图案的荧光测量值，及利用空间光调制器的多次调制图案和对应的测量值进行计算重建，利用压缩感知的方法分别重建出原样本的复振幅分布和荧光强度分布。

可以理解的是，处理器600用于对同轴全息的三步相移的傅里叶面单点强度的测量值进行计算，得到单像素对应于该强度图案的复振幅测量值，并且利用荧光总强度的测量值得到对应于该强度图案的荧光测量值，再利用空间光调制器的多次调制图案和对应的测量值进行计算重建，利用压缩感知的方法分别重建出原样本的复振幅分布和荧光强度分布。

具体而言，计算三步相移对应的复振幅和荧光对应的强度值。采用数字微镜器件进行二维复振幅调制，并作为引入干涉测量所需的参考臂和三步相移的工具。Lee全息的目标复振幅调制为P_k,φ＝(e^jφ·H_k+1)/2，其中H_k为二维Hadamard图案，φ为同轴全息引入的三步相移0，π/2和π，k为图案的序号，该复振幅图案下与样本作用的单点测量值记为I_k,φ。对于傅里叶面单点的测量，采用三步相移可以得到该Hadamard编码图案H_k与样本的作用的总复振幅，即：

y_k＝(I_k,0-I_k,π)+j(2I_k,π/2-I_k,0-I_k,π)，

对于荧光总强度的测量，由于荧光为非相干光，所以无需保留调制图案与样本的相位信息，采用总强度的测量方式，又由于二维Hadamard图案在0和π的相移情况下的二值特性，因此利用非相干情形下的两步相减即可得到该Hadamard图案编码H_k与样本作用的总荧光值，即：

其中

和

分别表示相移为0和π情形下的荧光总强度测量值。

重建样本复振幅分布和荧光强度分布。相位臂和荧光臂的采集可以同时同步进行。样本复振幅和荧光强度的计算重建也可以同步进行。首先是样本复振幅的分布，已知三步相移得到Hadamard矩阵编码图案H_k与复振幅样本S作用的总复振幅y_k，即为复振幅样本在该编码表示下的表示系数。复振幅样本可以利用编码图案在测量复振幅作为表示系数的情形下进行重建，即：

因此，样本的幅值和相位分别为：

而由于得到的φ(x,y)的取值范围在[0,2π]或[-π,π]，通常样本的相位需要经过一个展开的过程才能得到最终实际的样本的相位。

同理，样本的荧光强度分布可以表示为样本荧光强度分布S^F在该Hadamard编码图案H_k下的表示系数

进行计算重建，即：

因此，本发明实施例可以利用同时的傅里叶面单点测量和荧光总强度测量，在相同的编码图案下同时重建出样本的复振幅和荧光强度分布。

综上，本发明实施例包括同轴全息的三步相移方法、复振幅调制的荧光强度的计算和计算鬼成像。其中，同轴全息的三步相移方法，其用于对同轴全息的三步相移的傅里叶面单点强度的测量值进行计算得到像臂样本后的总复振幅，即单像素对应于强度图案的复振幅测量值；复振幅调制的荧光强度的计算，其用于在共用同轴全息的三步相移的复振幅调制图案的基础上推导出对应于作为非相干光的荧光的强度调制图案和对应的单像素的荧光总强度测量值；计算鬼成像，其用于将多次调制的图案和对应的采样值，包括样本后的总复振幅和样本的荧光总强度进行计算重建，分别得到原样本的复振幅分布和荧光强度分布，从而得到样本的二维相位信息和荧光信息。

因此，本发明实施例的系统10适用于显微的不同尺度的样本的荧光和相位成像，从器官级到细胞级，甚至可以到亚微米级的材料，其中不同的尺度可以直接通过调整成像系统的放大或缩小倍数实现，并且适用于宽谱段的成像系统，从太赫兹谱段、红外谱段、可见光谱段、紫外谱段到X射线谱段，甚至粒子波谱段，其中不同谱段的相位成像可以通过更换相应的光学器件(包括透镜、针孔和空间光调制器等)和单像素探测器实现，及适用于需要极弱光探测的生物或材料显微应用，由于单像素探测器具有高灵敏度的特性，并且计算鬼成像这种空间复用的方法具有高信噪比的特点，极弱光探测在本系统中可以通过将整个系统搭建在暗室环境并且采用更高灵敏的单像素探测器实现。

在本发明的实施例中，本发明实施例的系统10包括对强度的图案进行优化的方法，包括二值的Hadamard图案、灰度的傅里叶正弦图案和采用各种复用叠加的方式用二值图案产生灰度的傅里叶正弦图案等。这些图案优化的方法一方面显著提高了成像的质量，另一方面用二值图案产生灰度正弦图案的方式大幅提高了单像素相位显微系统的采集速率，并且有望将此系统应用于对采集速率要求较高的荧光和相位显微应用，并且包括多模式的单像素成像的扩展，包括利用多个单侧器和滤光片的组合实现多光谱的荧光成像或者利用光谱仪实现高光谱的荧光成像，以及通过对探测端的改进或者改造，添加一个至多个单像素探测器添加一个至多个的成像模式，同时为光学成像技术将来在生物医学诊断和神经科学观测上的应用提供低成本的高灵活性的解决方案。

即言，本发明实施例是将基于主动的空间光调制的计算鬼成像与同轴全息的相位探测和荧光探测相结合，并应用于对生物或材料样本进行同时的相位成像和荧光成像的系统。其中，根据基于同轴全息的相位探测可以得到样本的复振幅信息和同时的荧光探测可以得到样本的荧光强度信息，以及基于主动的空间光调制的计算鬼成像可以通过多次的结构光照与样本作用的总强度测量值恢复出样本的二维信息的原理提出来的。

具体而言，本发明实施例搭建空间滤波器100，将单模激光器出射的光束进行空间滤波和准直，得到干净的、空间分布均匀的准直高斯光束，再将其入射到空间光调制器上，得到对应携带空间编码信息的二维强度图案，经过两个透镜组成的4f系统，并在其傅里叶平面滤除其它级次的光，仅保留+1级，使其在空间滤波器的共轭面得到对应的复振幅图案，将复振幅图案照射到样本上，分两路用单像素探测器收集荧光和傅里叶平面单点的强度，最后通过多次的复振幅调制和对应的单像素测量值的采集，利用压缩感知算法分别重建出样本的复振幅和荧光强度分布，其将同轴全息的相位测量和同时的荧光探测引入单像素成像，并且利用强度的空间光调制器具有高达22kHz调制速率的特性，和单像素探测器具有高灵敏度、高带宽和宽可探测波段的特点，实现无需对齐的、高信噪比、较高采集速率和宽光谱探测范围的同时单像素荧光和相位成像。

根据本发明实施例的单像素荧光和相位成像系统，可以弥补单像素成像技术在这一领域的空缺，将基于主动的空间光调制和同轴全息以及同时的荧光探测引入单像素成像，实现无需对齐的、高灵敏度、极弱光探测的同时的荧光和相位成像，并且由于单像素成像在极弱光照和宽光谱范围内的优势，极弱光下的荧光和相位成像和太赫兹乃至X射线的荧光和相位成像也因此成为可能。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的单像素荧光和相位成像方法。

图4是本发明实施例的单像素荧光和相位成像方法的流程图。

如图4所示，该单像素荧光和相位成像方法包括：

步骤S401：生成准直高斯光束。

步骤S402：对准直高斯光束进行二值强度调制，得到二维复振幅照明图案。

步骤S403：将二维复振幅照明图案成像至样本平面，使照明视场和分辨率适应于待观测样本，且与样本作用，透射或者反射得到经过调制后的场。

步骤S404将待测量的相位臂与荧光臂进行分离，使每一臂只对应保留相应的信息。

步骤S405：分别对相位臂与荧光臂进行傅里叶面单点强度的采集和荧光总强度的采集，得到对应复振幅照明下的单像素的复振幅和荧光测量值。

步骤S406：对同轴全息的三步相移的傅里叶面单点强度的测量值进行计算，得到单像素对应于该强度图案的复振幅测量值，并且利用荧光总强度的测量值得到对应于该强度图案的荧光测量值，及利用空间光调制器的多次调制图案和对应的测量值进行计算重建，利用压缩感知的方法分别重建出原样本的复振幅分布和荧光强度分布。

需要说明的是，前述对单像素荧光和相位成像系统实施例的解释说明也适用于该实施例的单像素荧光和相位成像方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例的单像素荧光和相位成像方法，可以弥补单像素成像技术在这一领域的空缺，将基于主动的空间光调制和同轴全息以及同时的荧光探测引入单像素成像，实现无需对齐的、高灵敏度、极弱光探测的同时的荧光和相位成像，并且由于单像素成像在极弱光照和宽光谱范围内的优势，极弱光下的荧光和相位成像和太赫兹乃至X射线的荧光和相位成像也因此成为可能。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种单像素荧光和相位成像系统，其特征在于，包括：

空间滤波器，用于生成准直高斯光束；

二值复振幅调制系统，用于对所述准直高斯光束进行二值强度调制，得到二维复振幅照明图案；

成像系统，用于将所述二维复振幅照明图案成像至样本平面，使照明视场和分辨率适应于待观测样本，且与样本作用，透射或者反射得到经过调制后的场；

荧光和相位分离系统，用于将待测量的相位臂与荧光臂进行分离，使每一臂只对应保留相应的信息；

单像素采集系统，用于分别对所述相位臂与所述荧光臂进行傅里叶面单点强度的采集和荧光总强度的采集，得到对应复振幅照明下的单像素的复振幅和荧光测量值；以及

处理器，用于对同轴全息的三步相移的傅里叶面单点强度的测量值进行计算，得到单像素对应于该强度图案的复振幅测量值，并且利用荧光总强度的测量值得到对应于该强度图案的荧光测量值，及利用空间光调制器的多次调制图案和对应的测量值进行计算重建，利用压缩感知的方法分别重建出原样本的复振幅分布和荧光强度分布。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空间滤波器包括：

准直透镜和针孔，所述针孔位于物镜焦面处，以生成所述准直高斯光束；

光学调整架，用于固定物镜和所述准直透镜，并调整器件角度使出射光束平直；

平移台，用于固定所述针孔，并且调整所述针孔与所述物镜之间的间距至目标间距。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

空间调制器，用于将所述空间滤波器出射的准直高斯光束进行空间调制，得到空间编码的结构光照。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述成像系统具体用于利用Lee全息方法将数字微镜器件的二值调制转化为复振幅调制。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述荧光和相位分离系统具体用于利用荧光的发射频谱与激发频谱之间的Stokes平移现象，并用二向色镜将荧光从原光路中分离，得到分离后的荧光和相位信息。

6.一种单像素荧光和相位成像方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的系统，其中，方法包括：

生成准直高斯光束；

对所述准直高斯光束进行二值强度调制，得到二维复振幅照明图案；

将所述二维复振幅照明图案成像至样本平面，使照明视场和分辨率适应于待观测样本，且与样本作用，透射或者反射得到经过调制后的场；

将待测量的相位臂与荧光臂进行分离，使每一臂只对应保留相应的信息；

分别对所述相位臂与所述荧光臂进行傅里叶面单点强度的采集和荧光总强度的采集，得到对应复振幅照明下的单像素的复振幅和荧光测量值；以及

对同轴全息的三步相移的傅里叶面单点强度的测量值进行计算，得到单像素对应于该强度图案的复振幅测量值，并且利用荧光总强度的测量值得到对应于该强度图案的荧光测量值，及利用空间光调制器的多次调制图案和对应的测量值进行计算重建，利用压缩感知的方法分别重建出原样本的复振幅分布和荧光强度分布。

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